DE2818671B2 - Method for relieving a pipe mechanically rolled into a pipe sheet - Google Patents
Method for relieving a pipe mechanically rolled into a pipe sheetInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entspannung eines in einen Rohrboden mechanisch eingewalzten Rohres in seinem Übergangsbereich zwischen dem eingewalzten Teil und dem unverformten Teil des Rohres.The invention relates to a method for mechanically relieving pressure in a tube sheet rolled-in tube in its transition area between the rolled-in part and the undeformed part Part of the pipe.
Bekannt ist in· der Technik das Verfahren zum mechanischen Einwalzen von Rdiren an einem Träger, insbesondere an einer Platte mit derartige Rohre aufnehmenden Bohrungen. Diese Platte ist von der Art einer Platte mit Wärmetauschrohren. Das Verfahren besteht in einem ersten Schritt in einer Aufweitung jedes Rohres von innen her, um es in Berührung mit der Oberfläche der entsprechenden Bohrung zu bringen, und besteht in einem zweiten Schritt im Drücken des Rohrs gegen die Wand, wobei ein tatsächliches Kaltwalzen oder -schmieden des Rohrmetalls erfolgt, was ein Haften des Rohrs an der Platte gewährleistet. Die Materialarten des Rohrs und der Platte werden vorteilhaft so gewählt, daß deren mechanische Eigenschaften zu einer plastischen Verformung des Rohrs führen, ohne daß die Elastizitätsgrenze der Platte überschritten wird. Das ausgeführte Einwalzen kann gegebenenfalls durch eine Endverschweißung vervollständigt werden.The method for mechanical rolling of Rdiren on a carrier, in particular on a plate with such tubes receiving holes. This plate is of the type of plate with heat exchange tubes. The procedure consists in a first step in an expansion of each tube from the inside to bring it into contact with the To bring surface of the corresponding hole, and consists in a second step in pressing the Pipe against the wall, with actual cold rolling or forging of the pipe metal taking place, which ensures adherence of the tube to the plate. The material kinds of the pipe and the plate will be advantageously chosen so that their mechanical properties lead to plastic deformation of the pipe without exceeding the elastic limit of the plate. The rolling in can possibly completed by an end weld.
Das Einwalzen von Rohren erfolgt in üblicher Weise mittels geeigneter Werkzeuge, die im allgemeinen eine Reihe von Rollen aufweisen (»Industrie-Anzeiger Essen«, 8.2.1957, Seiten 160-162).The rolling of pipes is carried out in the usual way by means of suitable tools, which are generally a Have a number of roles ("Industrie-Anzeiger Essen", 8.2.1957, pages 160-162).
Die Achsen dieser Rollen sind zur Achse der Bohrung und des in diese eingesetzten Rohre parallel oder geneigt. Die Rollen werden von einer dazwischen verschobenen axialen Spindel gedreht und nach außen gedrückt und drücken die Wand des Rohrs gegen diejenige der Bohrung.The axes of these rollers are parallel or parallel to the axis of the bore and the pipes inserted into it inclined. The rollers are rotated by an axial spindle shifted between them and outwards pressed and press the wall of the pipe against that of the bore.
An der Stelle, die den eigentlichen eingewalzten Teil mit größerem Durchmesser von dem Teil trennt, wo das Rohr seinen Nenndurchmesser aufweist, weist das Rohr nicht vernachlässigbare Restspannungen auf, die in korrodierender Umgebung zu Rissen und gegebenenAt the point that the actual rolled-in part with a larger diameter separates from the part where the pipe has its nominal diameter, the pipe has non-negligible residual stresses that lead to cracks and given in a corrosive environment
falls einem Durchbrechen der Rohre im Betrieb führenif the pipes break during operation
können. Es scheint daher unbedingt erforderlich zu sein, vor der Inbetriebnahme der Rohre, insbesondere in einem Wärmetauscher, eine vorhergehende Entspannung der genannten Bereiche zur Erzielung einer fast vollständigen Entspannung dieser Restspannungencan. It therefore seems to be absolutely necessary before putting the pipes into operation, especially in a heat exchanger, a previous relaxation of the areas mentioned to achieve an almost complete relaxation of these residual stresses
durchzuführen, die für das endgültige gute Verhalten dieser Rohre schädlich sind.which are detrimental to the ultimate good behavior of these pipes.
Es wurden bereits verschiedene Entspannungsverfah-Various relaxation procedures have already been
in ren in Betracht gezogen, die im einzelnen aus einer Wärmebehandlung der betroffenen Bereiche bestehen. Jedenfalls weist dieser Vorgang zu seiner vorschriftsmäßigen Durchführung in dem Maß Schwierigkeiten auf, in dem die Erhitzung auf den Übergangsbereich zwischenin ren considered, in detail from a Insist on heat treatment of the affected areas. In any case, this process points to its regularity Carrying out difficulty to the extent that the heating on the transition area between
Ii dem eingewalzten Teil und dem nicht verformten Teil der Rohre beschränkt werden muß, um nicht gleichzeitig die Spannungen zu entspannen, die die mechanische Festigkeit der Einwalzung selbst gewährleisten, vor allem wenn der Ausdehnungskoeffizient der Rohre größer als derjenige der Platte ist. Wenn überdies das Rohr gegenüber dem Fließen widerstandsfähiger als die Platte ist, z. B. wenn das Rohr aus nichtrostendem austenitischen Stahl oder aus einer Legierung mit hohem Nickelgehalt und die Platte aus z. B. Kohlenstoff-Ii the rolled-in part and the undeformed part of the pipes must be restricted in order not to relax the stresses which the mechanical Ensure the strength of the roll-in itself, especially if the coefficient of expansion of the pipes is larger than that of the plate. Moreover, if the pipe is more resistant to flow than that Plate is e.g. B. if the pipe is made of austenitic stainless steel or an alloy with high nickel content and the plate made of e.g. B. carbon
>■) stahl hergestellt sind, führt der angewendete Wärmezyklus, dessen Temperatur beschränkt ist, um die Eigenschaften der Platte nicht zu verschlechtern, nur zu einer geringen Absenkung der Spannungen jenseits des eingewalzten Bereichs. In Anbetracht dieser Schwierig-> ■) are made of steel, the applied heat cycle leads to whose temperature is limited so as not to deteriorate the properties of the plate, only to a slight reduction in stresses beyond the rolled-in area. In view of this difficulty
Jd keiten ist jedenfalls keines dieser Verfahren Gegenstand
einer ausgedehnten industriellen Anwendung, und es wurde in den weitaus meisten Fällen bis heute keine
Entspannung der betroffenen Bereiche durchgeführt.
Aufgabe der Erfindung' ist die Schaffung einesIn any case, none of these processes is the subject of extensive industrial application, and in the vast majority of cases to date no relaxation of the affected areas has been carried out.
The object of the invention is to create a
si Verfahrens der eingangs genannten Art, das bei bereits ausgeführter Einwalzung durchgeführt werden kann, d. h. nachdem die Verbindung zwischen dem Rohr und dem Rohrboden fertiggestellt ist.si method of the type mentioned, which is already carried out rolling-in can be carried out, d. H. after the connection between the pipe and the tube sheet is completed.
Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine gesteuerte bleibende radiale Aufveitung wenigstens inAccording to the invention, this is achieved by a controlled, permanent radial expansion at least in
seinem Übergangsbereich zwischen dem eingewalzten Teil und dem Teil des Rohrss, an dem es seinen Nenndurchmesser beibehalten hat.its transition area between the rolled-in part and the part of the pipe where it is Has retained the nominal diameter.
Dieses Verfahren beruht auf einem allgemeinThis method is based on a general one
•n bekannten Prinzip, das in der Entspannung der Restspannung eines behandelten Bauteils besteht, indem dieses in der Weise einer mechanischen Verformung unterzogen wird, daß die Gesamtelastizitätsgrenze des Bauteils erreicht wird. Die Restspannun-• n well-known principle that is used in the relaxation of the Residual stress of a treated component exists by removing it in the manner of a mechanical Deformation is subjected to that the total elastic limit of the component is reached. The residual stress
>(> gen unterworfenen Bereiche verformen sich dann plastisch, während die Bereiche ohne Spannungen weniger beansprucht werden, wobei die Verformung zur Vermeidung eines schädlichen Abhebens der Wand des Rohrs im eingewalzten Bereich dauernd kontrolliert> (> the subject areas then deform plastic, while the areas without stresses are less stressed, with the deformation continuously controlled to avoid damaging lifting of the wall of the pipe in the rolled-in area
ί·Ί bleibt. Daraus ergibt sich eine Anpassung der verschiedenen Bereiche des Bauteils in der Weise, daß nach der Entspannung, d. h., wenn das Bauteil praktisch zu seiner Ausgangsform zurückgekehrt ist, das Niveau der örtlichen Restspannungen beträchtlich herabgesetzt ist.ί · Ί remains. This results in an adaptation of the various Areas of the component in such a way that after relaxation, d. i.e. if the component is practically at its Has returned to the original shape, the level of the local residual stresses is considerably reduced.
wi Ein derartiger mechanischer Entspannungsvorgang findet für gewöhnlich an den geraden Teilen von Rohren nach dem Richten unter Erzeugung einer Zugkraft Anwendung, die am Ende der Herstellung eine geringfügige Verlängerung des Rohrs bewirkt. Jeden-wi Such a mechanical relaxation process usually found on the straight parts of pipes after straightening to produce a Tensile force Application that causes the tube to lengthen slightly at the end of manufacture. Every-
h'i falls eignet sich dieses Verfahren nicht für den im einzelnen in Betracht gezogenen Fall, indem die Rohre an einem Träger, insbesondere einem Rohrboden, eingewalzt sind.h'i if this method is not suitable for the im individual case under consideration, by attaching the tubes to a support, in particular a tube sheet, are rolled in.
Das Verfahren zur Erfindung beruht auf einer abweichenden Verwirklichung desselben Prinzips, indem eine kontrollierte radiale Aufweitung der betroffenen Bereiche vorgenommen wird.The method of the invention is based on a different implementation of the same principle by a controlled radial widening of the affected areas is carried out.
Diese Aufweitung kann durch Steuerung des axialen Vorschubs eines konischen oder spitzbogenförmigen Werkzeugs, durch Verwendung eines radial nach außen ausdehnbaren Werkzeugs oder durch eine Einwalzvorrichtung mit sich drehenden Rollen, d. h. mit Mitteln erfolgen, v,le sie an sich aus der schon genannten Druckschrift (»Industrie-Anzeiger Essen«, 8. 2. 1957, Seiten 160-162) bekannt ist.This widening can be conical or ogival-shaped by controlling the axial advance Tool, by using a radially outwardly expandable tool or by a rolling device with spinning rollers, d. H. take place with means, v, le them in themselves from the already mentioned Publication ("Industrie-Anzeiger Essen", February 8, 1957, pages 160-162) is known.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine radiale Aufweitung des Rohrs durch Einführen eines unter Druck stehenden Druckmittels in das Rohr zu erzeugen, was ebenfalls an sich bekannt ist (DE-OS 24 00 148).Another possibility is to radially expand the tube by inserting a tube under it To generate pressurized pressure medium in the pipe, which is also known per se (DE-OS 24 00 148).
Unter Ausnutzung dieser letzteren Verfahrensweise ist Gegenstand der Erfindung außerdem das im Anspruch 2 gekennzeichnete Verfahren.Taking advantage of this latter procedure, the invention also relates to the im Claim 2 characterized method.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigenThe invention is explained in more detail with reference to the exemplary embodiments illustrated in the drawing; show in it
Fig. 1 und 2 schematische Längsschnitte eines an eine Platte gewalzten Rohrs und eines in das Rohr eingesetzten Werkzeugs, das die Entspannung der Spannungen in der Übergangszone zwischen dem eingewalzten Teil und dem äußeren Teil mit dem Nenndurchmesser des Rohrs ermöglicht,Figures 1 and 2 are schematic longitudinal sections of a tube rolled onto a plate and one into the tube used tool that relieves tension in the transition zone between the rolled-in part and the outer part with the nominal diameter of the pipe,
Fig.3 in kleinerem Maßstab eine weitere Variante einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens.3 shows a further variant on a smaller scale a system for carrying out the procedure.
Gemäß Fig. 1 ist ein Ende 1 eines zylindrischen metallischen Rohrs an einer ebenfalls metallischen quer verlaufender. Platte 2 durch ein übliches Einwalzverfahren befestigt. Hierzu enthält die Platte 2 eine Bohrung 3, deren Abmessungen das Einsetzen des Rohrs 1 ermöglichen, wobei der in der Bohrung befindliche Teil 4 des Rohrs durch irgendeine geeignete Einrichtung, etwa eine Einwalzvorrichtung mit nicht gezeigter axialer Spindel, gegen die Innenwand der Bohrung gedruckt wird, wobei das Einwalzen des Rohrs und dessen Huiten verwirklicht werden. Der auf diese Weise eingewalzte Teil 4 schließt sich an den jenseits der Bohrung 3 gelegenen und den Ner.ndurchmesser aufweisenden Teil 5 des Rohrs über eine gestrichelt dargestellte Übergangszone 6 an.According to FIG. 1, one end 1 of a cylindrical metallic tube is transversely connected to a likewise metallic tube more gradual. Plate 2 attached by a conventional roll-in process. For this purpose, the plate 2 contains a hole 3, the dimensions of which allow the insertion of the tube 1, the part located in the bore 4 of the tube by any suitable means, such as a roll-in apparatus not shown axial spindle, is pressed against the inner wall of the bore, with the rolling of the tube and whose Huiten are realized. That way Rolled-in part 4 connects to the one on the other side of the bore 3 and the Ner.ndurchmesser having part 5 of the pipe via a transition zone 6 shown in dashed lines.
Erfindungsgemäß erfolgt die Entspannung der durch das Einwalzen in der Übergangszone 6 erzeugten Restspannungen durch den von innen her und jenseits des eingewalzten Teils 4 erfolgenden Eingriff eines konischen oder spitzbogenförmigen Werkzeugs 7. das in der Folge einen axialen allmählichen Vorschub innerhalb des Rohrs ermöglicht, und zwar durch einen pneuma.ischen oder insoesondere hydraulischen Stellzylinder. Hierdurch unterliegt die Übergangszone einer Verformung nach außen. Das Werkzeug führt die Übeirgangszone am Hubende in die in F i g. 8 ausgezogen dargestellte Stellung. Die an der Übergangszone anzuwendende Verformung liegt im allgemeinen in der Größenordnung von 0,5% des Durchmessers und kann z. B. durch Steuerung der Verschiebeamplitude des Werkzeugs 7 automatisch erhalten werden.According to the invention, the relaxation of the parts produced by the rolling in in the transition zone 6 takes place Residual stresses due to the engagement of a from the inside and beyond the rolled-in part 4 conical or ogival tool 7. which results in an axial gradual advance made possible within the tube, through a pneumatic or, in particular, hydraulic actuating cylinder. As a result, the transition zone is subject to an outward deformation. The tool performs the Transition zone at the end of the stroke into the one shown in FIG. 8 position shown in solid lines. The one at the transition zone Applicable deformation is generally of the order of 0.5% of the diameter and can z. B. can be obtained automatically by controlling the displacement amplitude of the tool 7.
Die in Fig. 2 gezeigte Variante besteht in der Verwendung des Werkzeugs 7 (nach Art einer Einwalzvorrichtung), das die Verformung des Übergangsbereichs 6 des eingewalzten Rohrs durch eine sich drehende Rollen 9 aufweisende axiale Spindel erzeugt. Auch hier wird die sich aus der Verformung des Übergangsbercichs ti lach außen ergebende Ffntspan nung der Spannungen leicht eingestellt durch Programmierung des Stillstands der die Rollen tragenden Spindel nach einer zweckmäßigen Anzahl von deren Umdrehungen entsprechend einer gegebenen Verformung, die durch eine vorhergehende Eichung definiert istThe variant shown in Fig. 2 consists in the use of the tool 7 (in the manner of a Roll-in device), which the deformation of the transition area 6 of the rolled-in tube by a rotating rollers 9 having axial spindle generated. Here, too, is the result of the deformation of the Transitional area ti lach externally resulting Ffntspan The tensioning of the tensions can be easily adjusted by programming the standstill of the rollers carrying the rollers Spindle after a suitable number of revolutions corresponding to a given deformation, which is defined by a previous calibration
Bei einer anderen in F i g. 3 gezeigten Durchführung? Variante des Verfahrens nach der Erfindung erfolgt die Verformung der Übergangsbereiche des Rohrs 1 nach der Einwalzung seiner Enden 10 und 11 durch eine hydraulische Unterdrucksetzung des Rohrs. Hierzu werden die eingewalzten Enden durch zwei abnehmbare Dichtungen 12 bzw. 13 verschlossen, wobei die Dichtung 12 von einer Leitung 14 durchquert ist, die den Innenraum des Rohrs mit einer hydraulischen Pumpe 15 oder dergleichen verbindet. Dabei wird der Druck in der Leitung 14 durch ein Manometer 16 gemessen. In gleicher Weise wird die Dichtung 13 über eine Leitung 17 mit einem Ablaßventil 18 verbunden.In another in FIG. 3 implementation shown? Variant of the method according to the invention, the deformation of the transition areas of the pipe 1 takes place after the rolling in of its ends 10 and 11 by hydraulic pressurization of the pipe. For this the rolled-in ends are closed by two removable seals 12 and 13, the Seal 12 is traversed by a conduit 14 which connects the interior of the pipe with a hydraulic pump 15 or the like connects. The pressure in the line 14 is measured by a manometer 16. In In the same way, the seal 13 is connected to a drain valve 18 via a line 17.
Bei dieser Ausführungsvariante wird der von der hydraulischen Pumpe 15 im Roh' ί erzeugte Druck so gewählt, daß eine ausreichende Verformung der Übergangsbereiche des Rohrs jenseits der eingewalzten Teile erzeugt wird durch Herstellung einer einen gegebenen Wert erreichenden mittleren Umfangsbelastun>_; Zur Berechnung des zur Entspannung aller Rohre eines gegebenen Satzes erforderlichen minimalen Drucks kann es vorkommen, daß aufgrund der großen Streuungen der mechanischen und geometrischen Eigenschaften dieser Rohre eine Situation vorliegt, bei der der zur Entspannung des widerstandsfähigsten Rohrs erforderliche Druck zu einer übermäßigen Verformung des am wenigsten widerstandsfähigen Rohrs führt. Es kann daher schädlich sein, auf alle Rohre einen gleichen Innendruck auszuüben zur Erzielung der Entspannung der Übergangsbereiche.In this embodiment, the pressure generated by the hydraulic pump 15 in the pipe 'ί is so chosen that a sufficient deformation of the transition areas of the pipe beyond the rolled Parts is produced by producing an average circumferential load of a given value; To calculate the minimum required to relax all pipes in a given set Pressure it can happen that due to the large variations in the mechanical and geometric Properties of these pipes there is a situation in which the relaxation of the most resistant Rohrs required pressure to cause excessive deformation of the least resistant Rohrs leads. It can therefore be detrimental to exert the same internal pressure on all pipes in order to achieve the Relaxation of the transition areas.
Das angewendete Vorgehen kann zweckmäßig so abgeändert werden, daß die Rohre mit einer identischen Volumenänderung für alle Rohre beaufschlagt werden was zur Ausübung einer Verformung anstatt einer Beanspruchung führt.The procedure used can be modified appropriately so that the pipes with an identical Volume change for all pipes are applied resulting in a deformation rather than an exertion Stress leads.
Die Beziehung, die die innere Volumenveränderung Δ Vdes Rohrs mit der Durchmesserveränderung ΔΦ des Rohrs verbindet, ist durch folgende Forme! gegeben:The relationship which connects the internal volume change Δ V of the pipe with the diameter change ΔΦ of the pipe is given by the following form! given:
I Γ =I Γ =
L <lrL <lr
'/'■■'/' ■■
Hierbei ist L die Länge des Rohrs und Φ, der mittlere Innendurchmesser. Dieses Volumen AV ist auch dasjenige des nach der Füllung des Rohrs einzuführenden Druckmittels, wenn mit einem inkompressibien Drx'tmittel gearbeitet wird.Here L is the length of the pipe and Φ is the mean inside diameter. This volume AV is also that of the pressure medium to be introduced after the pipe has been filled when working with an incompressible pressure medium.
Die obige Beziehung (1) hat den Vorteil, keine Wechselbeziehur g mit der Dicke der Rohre einzugehen. Überdies sind bei ein und demselben Satz von Rohron die Veränderungen am Innendurchmesser im allgemeinen gering und liegen in der Größenordnung von ± 2Vo. Folglich verändert sich die zur Erzielung einerThe above relation (1) has the advantage that there is no correlation with the thickness of the pipes. Moreover, with the same set of tubes, the changes in the inside diameter are general low and are of the order of ± 2Vo. As a result, the change in achieving a
gegebenen Verformung ' erforderliche Volumenveränderung Δ V von einem Rohr zum anderen nur. wenn sich die Länge L verändert. Insbesondere ist bei Wärmetauschern, deren Rohrlängen sich nicht in zu großen Grenzen verändern, die zur Entspannung erforderliche Volumenveränderung Δ V praktisch s'.cts dieselbe.given deformation 'required volume change Δ V from one pipe to another only. when the length L changes. In particular, the necessary relaxation volume change Δ V is practically s'.cts same in heat exchangers whose pipe lengths do not change in excessive limits.
Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht folglich eine einfache und praktische Durchführung der mechanischen Entspannung von an einem Träger, insbesondere einer Platte, eingewalzten Rohren, wodurch die mechanischen Eigenschaften dieser Rohre gegenüber der Korrosion unter Spannung dank der Entspannung der Spannungen verbessert wird, von denen in gewissen Umgebungen die Gefahr ausgeht, daß sie nicht wieder zu beseitigende Rißbildungen erzeugen. Das Verfahren nach der Erfindung findet, wie bereits ausgeführt, in den Fällen Anwendung, in denen die Rohre durch vorhergehende mechanische Einwalzung an ihrer Platte oder ihrem Träger befestigt sind. Wenn dagegen die Befestigung der Rohre sich aus einer Verformung mittels hydraulischer Ausdehnung ergibt, ist das vorliegende Verfahren nicht von Interesse, da ein derartiges Befestigungsvorgehen keine Restspannungen erzeugt, die denjenigen des mechanischen Einwalzens gleichen.The method according to the invention consequently enables simple and practical implementation of the mechanical relaxation of tubes rolled into a carrier, in particular a plate, whereby the mechanical properties of these pipes against corrosion under tension thanks to the The relaxation of tensions is improved, from which in certain environments the danger emanates, that they produce cracks that cannot be removed again. The method of the invention finds how already carried out, in cases where the pipes have been mechanically rolled in beforehand are attached to their plate or their support. If, on the other hand, the fastening of the pipes consists of a Deformation by means of hydraulic expansion results, the present method is of no interest as a Such a fastening procedure does not generate any residual stresses similar to those of mechanical rolling same.
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